Effect of droplet characteristics on liquid-phase distribution in spray zone of internal mixing air-mist nozzle

In continuous casting production,droplet characteristics are important parameters for evaluating the nozzle atomization quality,and have a significant impact on the secondary cooling effect and the slab quality.In order to study the behavior of atomized droplets after reaching the slab surface and to optimize the spray cooling effect,the influence of droplet diameter and droplet velocity on the migration behavior of droplets in the secondary cooling zone was analyzed by FLUENT software.Results show that the droplets in the spray zone and on the slab surface are mainly concentrated in the center,thus,the liquid volume fraction in the center is higher than that of either side.As the droplet diameter increases,the region of high liquid volume fraction on the slab surface becomes wider,and the liquid phase distribution in the slab width direction becomes uneven.Although increasing the droplet velocity at the nozzle exit has little effect on droplet diffusion in the spray zone,the distribution becomes more uneven due to more liquid reaches the slab surface per unit time.A prediction formula of the maximum water flow rate on the slab surface for specific droplet characteristics was proposed based on dimensionless analysis and validated by simulated data.A nozzle spacing of 210 mm was recommended under the working conditions in this study,which ensures effective coverage of the spray water over the slab surface and enhances the distribution uniformity of water flow rate in the transverse direction.

Experimental Study on the Mobility of Channelized Granular Mass Flow

Granular mass flows （e.g., debris flows/avalanches） in landslide-prone areas are of great concern because they often cause catastrophic disasters as a result of their long run-out distances and large impact forces. To investigate the factors influencing granular mass flow mobility, experimental tests were conducted in a flume model. Granular materials consisting of homogeneous sand and non- homogeneous sandy soil were used for studying particle size effects. Run-out tests with variable flow masses, water contents, and sloping channel confinement parameters were conducted as well. The results indicated that granular mass flow mobility was significantly influenced by the initial water content; a critical water content corresponding to the smallest flow mobility exists for different granular materials. An increase in the total flow mass generally induced a reduction in the travel angle （an increase in flow mobility）. Consistent with field observations, the travel angles for different granular materials decreased roughly in proportion to the logarithm of mass. The flume model tests illustrate that the measured travel angles increase as the proportion of fine particles increases. Interestingly, natural terrain possesses critical confinement characteristics for different granular mass flows.

Physical Modeling of the Vacuum Circulation Refining Process of Molten Steel

The available studies in the literature on physical modeling of the vacuum circulation (RH, i.e. Ruhrstahl Heraeus) refining process of molten steel have briefly been reviewed. The latest advances made by the author with his research group have been summarized. Water modeling was employed to investigate the flow and mixing characteristics of molten steel under the RH and RH KTB (Kawasaki top blowing) conditions and the mass transfer features between molten steel and powder particles in the RH PTB (powder top blowing) refining. The geometric similarity ratio between the model and its prototype (a multifunction RH degasser of 90 t capacity) was 1:5. The effects of the related technological and structural factors were considered. These latest studies have revealed the flow and mixing characteristics of molten steel and the mass transfer features between molten steel and powder particles in these processes, and have provided a better understanding of the refining processes of molten steel.

高压含水气井两相流态节流判断与控制方法

井筒气水两相管流节流前后动态特性分析与控制,对保障致密气等高压含水气井高效稳定安全开采和水合物防治具有重要意义。考虑等熵绝热、等压热容、等容热容、不同井深节流能量等因素,推导气水两相流体流经喷嘴的能量、动能和温度动态变化等热力学微分方程组,建立高压含水气井两相节流能量、节流系统热量、节流物质平衡和流体质量流量变化等井下节流场数学模型,提出一种气水两相井筒节流前后动态特性分析与控制方法,为优化井下节流器及其节流喷嘴的结构参数和保障气井流动安全提供理论依据。最后依据数值模拟手段及其判断结果,以鄂尔多斯盆地东缘大宁-吉县区块为例进行验证,以揭示高压含水气井喷嘴尺寸和深度、含水率、节流前压力和温度对节流前后动态特性的影响规律。结果表明:高压含水气井气水两相流体质量流量先是随节流压力比减小而呈指数级增大,并在压力比降至0.55阈值附近时达到最大值,增大喷嘴下入深度和含水率、同时降低节流前压力和温度,可提高节流后温度,有利于抑制水合物生成;且节流过程临界质量流量受喷嘴内径的影响最大,含水率和节流前压力次之,而节流前温度和喷嘴深度的影响最小,且增加含水率会提高临界质量流量,但产气量也随之下降;大宁–吉县区块现场工程实例分析表明,井下节流喷嘴内径由3.0 mm扩至5.0 mm和节流前压力由14 MPa增至18 MPa时,气水两相流体的临界质量流量提升幅度分别为179.3%和27.8%,而利用地层温度等将节流前温度由313 K升至333 K时,节流过程临界质量流量反而小幅下降且下降幅度仅为5.15%,为此,增大喷嘴内径及其下入深度和节流前压力同时降低节流前温度,有利于提高气水两相流体节流过程中临界质量流量,并提升高压含水气井的产气量。

超临界工况下水在换热表面传热特性研究进展

对于超临界水传热特性的研究,自21世纪初以来呈快速增长的态势发展.该文总结了近年来国内外学者对于超临界水换热性能的研究,系统分析了浮升力、壁面热流密度、质量流速、压力等因素对其流动换热特性的影响.众多结果表明:浮升效应引起的剪切应力和径向流速的变化会导致传热恶化;通过减小热流密度,提高质量流速能有效改善传热.目前研究中给出了超临界水一般传热关系式,但其适用精度还需进一步提升.

单个液滴蒸发模型中不同质量传递公式的有效性分析

液滴蒸发是液体喷雾的重要物理过程,文献中使用了不同的模型计算液滴蒸发中的质量流率。依据质量传递驱动力的处理,可将这些模型归类于3种不同形式,即:经典模型、质量类比模型和漂移流动模型。对这些模型的来源和假设作了分析和总结,发现经典模型忽略了瞬态效应,质量类比模型忽略了Stefan流效应,而飘移流动模型同时考虑了Stefan流效应和质量迁移,应为正确的表述。最后以两种不同蒸发率条件下的液滴蒸发为例进行计算,研究了不同质量传递驱动力对液滴蒸发的影响,发现经典模型和质量类比模型都对液滴的蒸发估计过低,且高蒸发率下3种模型对液滴蒸发特性的影响更显著。

深埋隧洞开挖过程中突水与突泥的机理研究

突水与突泥是隧洞施工过程中常遇的重要工程灾害之一,本文利用离散元法,采用颗粒流PFC3D软件,结合流体动力学数值模拟的有限体积法,建立了由裂隙岩体及断层组成的围岩隧洞突、涌水三维数值模型,模拟隧洞突水、突泥的全过程;探讨了集中水源(断层)水压力、岩体裂隙性状等对隧洞突水、突泥的影响。据此提出了工程突水、突泥预防中两个重要的概念:突水临界水压力和前方临界突水距离。并提出了隧洞突水、突泥的发生机理,认为突水发生的前提是存在集中的高压水源。水源压力的大小、开挖面至集中水源的距离、岩体强度、岩体裂隙性状是影响突水的主要因素。

超(超)临界垂直管圈锅炉水冷壁流量分配及壁温计算

水冷壁流量分配和壁温计算方法是开发自主产权超(超)临界锅炉的关键技术之一。针对垂直管圈结构和炉内热负荷分布特点,将水冷壁划分为由流量回路、压力节点和连接管组成的流动网络系统。根据质量守恒、动量守恒和能量守恒方程,建立了超(超)临界锅炉水冷壁流量和壁温计算的数学模型。与传统的图解法相比,该方法具有精度高、能够处理复杂结构等优点。在此基础上,通过对185个回路方程和10个压力节点方程组成的非线性方程组进行直接求解的方法,得到了100%、50%和35%锅炉最大连续蒸发量负荷下玉环电厂1000MW超超临界锅炉水冷壁流量分配和壁温分布,并与国外公司的计算结果进行了比较。结果表明二者符合较为一致,流量分配的最大误差为9.7%,壁温误差为3-7℃。

超临界循环流化床锅炉中等质量流速水冷壁流量分配及壁温计算

超临界循环流化床锅炉将循环流化床(circulating fluidizedbed,CFB)燃烧技术与超临界蒸汽压力循环的优点相结合。水冷壁流量分配是超临界循环流化床锅炉运行的一个主要技术关键。该文建立了计算复杂流动网络系统回路流量及节点压力的数学模型,并对非线性方程组采用迭代方法进行求解。对一台600MW中低质量流速超临界循环流化床锅炉水冷壁流量分配及壁温分布进行计算,分析中低质量流速在超临界循环流化床中应用的优点。结果表明在锅炉最大连续蒸发量(boiler maximum continuous rating,BMCR)、50%BMCR及30%BMCR负荷下,水冷壁的流量偏差和热偏差较小,流量偏差最大为6.6%。各负荷下管壁温度均处于管子材料的允许温度之内。该文可为超临界CFB锅炉的设计提供参考。

CFD-DEM耦合模拟网式过滤器局部堵塞

过滤器内部的流场不均导致使用时容易产生局部堵塞,堵塞分布受入口流速、颗粒粒径、流线轨迹等因素的共同影响。该文以计算流体力学-离散元法(computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)耦合模拟不同流量下Y型网式过滤器内部不同粒径的沙粒运动及分布,分析过滤器内部流态对沙粒运动分布的影响并通过试验加以证明。结果表明,滤网两侧的压差占总压差的77%。网面流量呈阶梯分布,最大流量位于出口侧滤网上端,最低流量位于进口侧滤网中心,前者是后者的5.9倍;对于通过滤网的颗粒,入口流速越高,颗粒通过点越集中;对于拦截颗粒,当粒径接近孔径时,颗粒稳定附着在滤网,增加入口流速使颗粒向侧面滤网聚积并产生局部堵塞,粒径远大于孔径时,颗粒在内腔中不停运动,难以稳定附着在滤网;降低入口流速将提高颗粒分布的均匀程度,延长过滤器高效段时间,减少冲洗难度。

单裂隙砂岩单轴压缩的中等应变率效应颗粒流模拟

加载速率对裂隙岩体的力学性质及变形破坏均有重要影响。利用二维颗粒流程序PFC2D开展了不同倾角非贯通单裂隙砂岩试件的单轴压缩试验,研究了中等应变率对裂隙砂岩应力-应变曲线特征、裂隙尖端应力状态、特征应力状态、岩体损伤及裂隙扩展等力学响应的影响规律。裂隙岩体应力-应变曲线呈现明显的波动性,定义应力突变指标f对应力突变型波动剧烈程度进行了定量统计分析:随应变率的增加,曲线应力突变波动越剧烈,且峰后明显大于峰前;随裂隙倾角的增大,波动幅度峰前增大,而峰后减小。裂隙尖端破裂应力随应变率增大均有所提高,随裂隙倾角的增大,切向剪应力c总体上呈增加变化,而法向应力nc明显减小。尖端破裂时岩样加载应力j、岩样临界扩容应力d及峰值应力c均随应变率增大而增大。裂隙尖端的破裂可立即引起岩体扩容,一般应变率越低,岩体裂隙尖端破裂点j和扩容点d越接近峰值强度c。随着应变率的提高,损伤裂纹及宏观裂隙类型越多,岩体试件损伤破裂程度越强,特别是试件端部效应愈显著。裂隙首先以I型翼裂纹在其尖端起裂,而I型翼裂纹的扩展长度与加载速率与裂隙倾角具有较强的相关性。

物料下落过程中可吸入颗粒物产生特性及控制技术

利用实验室新设计开发的一套装置,研究物料自由下落过程影响可吸入颗粒物产生的因素。通过实验分别测定不同物料、质量流量、含水量、粒径组成和下垫面5个因素对可吸入颗粒物产生的影响。实验结果表明,不同物料可吸入颗粒物产生率不同;随着质量流量和物料含水量的增加,可吸入颗粒物产生率减小,加水是减少可吸入颗粒物排放的最有效方法之一;不同粒径组成和不同下垫面对可吸入颗粒物产生也有影响,但作用并不显著。

气举技术在矿物开采中的实验研究

选用普通河沙作为实验颗粒,在实验室内模拟气举采矿,研究影响气举工作特性的关键因素.在浸入率相同的情况下通过改变喷嘴布置方式来测量提升管出口端排液量、排沙量和提升效率.实验结果表明,出现最佳工况所对应的气体流量值为Qg∈(36,40)m3/h;气举结构参数的变化对气举提升性能有显著影响,采用5个喷嘴时气举的工作特性最好,而采用不同气流喷射角度时,对应于α切=10°其气举工作特性在气量值约为Qg=37m3/h时达到最佳.

玉米芯的热解特性及气相产物的释放规律

为了全面掌握不同热解条件下玉米芯的热解特性及热解过程中气相产物随温度变化的释放规律,深刻理解玉米芯的热解行为及反应机理,该文采用热重-质谱联用技术对玉米芯进行了氮气气氛下的热解特性试验研究,对比研究了不同升温速率（5、10、20℃/min）、不同粒度（74、154、280、450μm）、不同气体流速（30、60、90 m L/min）等因素对玉米芯热解行为的影响,发现非等温失重过程可分为4个阶段：失水、预热解过渡、挥发分析出和炭化阶段。通过质谱分析研究了热解过程小分子气相产物（CO、CO2、CH4、O2、H2、H2O）的释放规律,并计算了挥发分释放指数。升温速率升高,热解反应越易进行;在粒度小于450μm范围内,试样热解的总失重率随粒度的增大而增加,而且颗粒越大,挥发分产物开始逸出的温度越低。粒度为〉154-450μm的试样的热解过程主要受颗粒内部热传递影响,而粒度〈154μm的试样的热解主要受内在反应动力学速率控制;随着气体流速升高,试样热解的总失重率和初始温度增大,但增幅很小,最大失重速率对应的温度也有向高温段移动的趋势。利用Coats-Redfern方法计算出玉米芯的热解动力学参数,说明玉米芯热解的挥发分析出阶段可用单段一级反应描述。该研究对于优化以玉米芯为原料的热化学转化工艺参数和提高燃料产物的产量与品质等具有重要意义,对于设计和开发高效的生物质能转化设备也可提供参考。

油水两相分散流液滴分布特性研究进展

综述了油水两相流液滴分布特性的国内外研究现状,介绍了油水两相分散流液滴的形成机理,讨论了液滴在管道中聚合与破裂的原因和过程,着重分析了液滴粒径及其分布的主要影响因素。研究表明:在油水两相分散流中,液滴的聚合与破裂受湍流应力,各相粘度、密度和界面张力的影响,液滴的破裂和聚合决定了液滴的粒径和分布,液滴的粒径和分布与油水物性、管材、油水两相流速度等因素有关。

某1000MW对冲燃烧超超临界锅炉水冷壁汽温偏差分析及设计运行对策

针对1000MW超超临界锅炉水冷壁出现的较大汽温偏差进行了试验研究和水动力计算。在锅炉结构和燃烧方式的基础上建立了平顶山发电分公司锅炉的流动网络系统水动力计算数学模型,根据计算模型划分的流动回路在现场布置了相关试验测点。通过现场启炉试验、变磨煤机投运方式试验和中间混合集箱混合效果试验,结合水动力计算结果,探索各因素影响汽温偏差的规律。研究结果发现,升负荷速率和局部热负荷过大会造成较大汽温偏差,启炉过程中应控制升负荷速率不大于25MW/min;在4台磨投运试验工况中推荐BCEF组合方式,5台磨投运试验工况中推荐ABCEF组合方式;中间过渡段混合集箱50%BMCR负荷至100%BMCR负荷混合效果良好。在锅炉整体结构设计方面,需通过增大进入上炉膛前墙的流动截面积以改变前墙水动力适应性,降低其热敏感性。

基于“薄膜理论”的单个水滴在高温烟气中蒸发参数研究

针对干法除尘蒸发冷却器中高温转炉烟气条件下的单颗粒水滴蒸发过程进行了研究,在传统液滴蒸发模型的基础上,引入了"薄膜理论",建立了一个简化的蒸发模型,在模型中考虑了随温度变化的热物性参数、Stefan流、以及液滴瞬态加热等因素对水滴蒸发过程的影响,得到了瞬间蒸发速率、液滴表面温度、液滴直径随蒸发时间的变化规律,以及烟气温度、液滴初始直径对蒸发过程的影响规律.为进一步研究干法除尘转炉烟气中液滴蒸发机理奠定一定的理论基础.

高气液比气井临界携液气流量计算新模型

基于气井井筒积液对气藏开发的危害性,在现有携液模型的基础上,利用受力平衡理论和能量守恒原理,建立了气井临界携液气流量计算新模型;通过引入新模型系数,对液滴大小及液滴变形特征进行了综合表征。模型计算结果表明,新模型系数随压力增大而增大,有效地弥补了现有携液模型存在的不足。现有携液模型及新模型的适应性分析结果表明,新模型在高、低压气井中均具有良好的适用性。现场应用新模型有效预测了大牛地气田气井的积液状态,为产水气藏的有效开发提供了有力的技术支持。

基于Coriolis流量计和SVM的油水两相流质量流量测量的研究

针对油水两相流流量的测量难题,采用双U型Coriolis流量计对油水混合物的总质量流量、分相质量流量和真实密度进行了测量研究。以双U型Coriolis流量计得到的油水混合物的质量流量和密度为基础,提出了基于支持向量机(SVM)油水分相质量流量的直接预测方法,避开了直接对滑脱速度、持水率与含水率等之间复杂关系的研究。利用该方法对25mm管径的油水两相流进行了实验研究。实验结果表明,在含水率为5%～95%时,油水总质量流量测量误差在±1%以内;油水分相质量流量的测量相对误差在±8%以内。

倾斜内螺纹管中亚临界及超临界水传热特性研究

为探究超(超)临界锅炉机组内螺纹管水冷壁的传热特性,在倾角5°~90°的ϕ35 mm×7.75 mm倾斜上升内螺纹管中进行了实验研究,实验参数为压力15~28 MPa,质量流速600~1000 kg∙m^(-2)∙s^(-1),热通量300~500 kW∙m^(-2)。实验对比了内螺纹管与ϕ25 mm×3 mm光管的壁温特性;讨论了倾斜角度、质量流速和压力的变化对内螺纹管中亚临界、近临界和超临界水传热的影响;拟合了不同倾斜角度下超临界水的传热关联式。结果表明:所用内螺纹管有明显的推迟传热恶化、强化传热的性能;不同倾斜角度的内螺纹管传热特性存在差异;亚临界压力下质量流速对气液两相区传热系数影响很小,近临界和超临界压力下,随质量流速的增加,整体上传热系数增大;压力为15 MPa时的传热系数最大。超临界压力下,随压力的增大,大比热容区的传热系数减小。